JP6712766B2 - Dual refrigeration system - Google Patents
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Description
本発明は、低段側冷凍回路、高段側冷凍回路、及び低段側冷凍回路中の低段側冷媒と前記高段側冷凍回路中の高段側冷媒との間で熱交換を行うカスケード熱交換器を備える二元冷凍システムに関する。 The present invention relates to a low-stage side refrigeration circuit, a high-stage side refrigeration circuit, and a cascade for performing heat exchange between a low-stage side refrigerant in the low-stage side refrigeration circuit and a high-stage side refrigerant in the high-stage side refrigeration circuit. The present invention relates to a dual refrigeration system including a heat exchanger.
冷凍装置では、圧縮手段、ガスクーラ、絞り手段、蒸発器等から冷凍サイクルが構成され、圧縮手段で圧縮された冷媒はガスクーラにて放熱し、その後絞り手段にて減圧され、蒸発器にて蒸発する。そして、このときの冷媒の蒸発により周囲の空気が冷却される。 In the refrigeration system, a refrigeration cycle is composed of a compression means, a gas cooler, a throttle means, an evaporator, etc., and the refrigerant compressed by the compression means radiates heat in the gas cooler, and then is reduced in pressure by the throttle means and evaporated in the evaporator. .. Then, the surrounding air is cooled by the evaporation of the refrigerant at this time.
近年、この種の冷凍装置では、自然環境問題などからフロン系冷媒が使用できなくなってきている。また、地球温暖化防止のため、より地球温暖化係数(GWP:Global Warming Potential)の小さい冷媒への転換が求められている。このため、フロン系冷媒の代替品として自然冷媒である二酸化炭素を使用する冷凍装置が開発されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, a CFC-based refrigerant cannot be used in a refrigerating apparatus of this type due to a natural environment problem or the like. Further, in order to prevent global warming, there is a demand for conversion to a refrigerant having a smaller global warming potential (GWP: Global Warming Potential). Therefore, a refrigerating device using carbon dioxide, which is a natural refrigerant, has been developed as a substitute for a CFC-based refrigerant (see, for example, Patent Document 1).
冷媒として二酸化炭素を使用すると、作動圧(特に凝縮圧力)が極めて高くなり、冷凍サイクルを構成する機器の信頼性が問題となる。この問題を解決すべく、特許文献2では、二酸化炭素を冷媒とする高段側冷凍回路を構成する高段側蒸発器と低段側冷凍回路を構成する低段側ガスクーラとを含むカスケードコンデンサを備える二元冷凍装置が提案されている。
When carbon dioxide is used as the refrigerant, the operating pressure (particularly the condensing pressure) becomes extremely high, and the reliability of the equipment constituting the refrigeration cycle becomes a problem. In order to solve this problem,
一般に、二元冷凍装置は、外気温が高くなる夏期には能力不足に陥ったり、外気温が低くなる冬期や中間期には高段側冷凍回路の発停が繰り返される結果、COPが悪化したりする可能性がある。 In general, the dual refrigeration system suffers from a lack of capacity in the summer when the outside temperature becomes high, and the high-stage side refrigeration circuit is repeatedly started and stopped in the winter and the middle period when the outside temperature becomes low, resulting in a deterioration in COP. There is a possibility that
本発明は、外気温の変動にかかわらず、能力不足に陥ることがなく、且つ、COPの良い運転が可能な二元冷凍システムを提供することを課題としている。 An object of the present invention is to provide a binary refrigeration system that does not fall into a capacity shortage and can operate with good COP regardless of fluctuations in the outside temperature.
本発明に係る二元冷凍システムは、可変速圧縮機を備える低段側冷凍回路と、高段側冷凍回路と、前記低段側冷凍回路中の低段側冷媒と前記高段側冷凍回路中の高段側冷媒との間で熱交換を行うカスケード熱交換器と、前記可変速圧縮機の周波数が外気温に対応して定められた閾値以上となった場合に前記高段側冷凍回路を作動させる制御手段と、を備え、前記閾値は、前記外気温が高くなるにしたがって低くなるように設定されている。
The dual refrigeration system according to the present invention includes a low-stage side refrigeration circuit including a variable speed compressor, a high-stage side refrigeration circuit, a low-stage side refrigerant in the low-stage side refrigeration circuit, and a high-stage side refrigeration circuit. A cascade heat exchanger for exchanging heat with the high-stage side refrigerant, and the high-stage side refrigeration circuit when the frequency of the variable speed compressor is equal to or higher than a threshold value determined in accordance with the outside air temperature. and control means for actuating, the threshold value, it is configured to be lower in accordance with the outside temperature is high.
本発明に係る二元冷凍システムによれば、外気温の変動にかかわらず、能力不足に陥ることがなく、且つ、COPの良い運転が可能である。 According to the dual refrigeration system of the present invention, the capacity is not insufficient and the COP can be operated satisfactorily regardless of the fluctuation of the outside temperature.
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、本発明を適用した二元冷凍システム1の冷凍回路図の一例が示されている。二元冷凍システム1は、スーパーマーケット等の店舗の機械室等に設置されるメイン冷凍機A、過冷却冷凍機B及びカスケードユニットC、並びに店舗の売り場内に設置されるショーケースDによって構成されている。
FIG. 1 shows an example of a refrigeration circuit diagram of a
なお、図1に示される二元冷凍システム1はショーケースDを1台のみ備えているが、これを複数台備えることも可能である。また、図1に示される二元冷凍システム1は、メイン冷凍機A、過冷却冷凍機B、カスケードユニットC及びショーケースDを個別の装置としているが、メイン冷凍機A、過冷却冷凍機B及びカスケードユニットCについては、必要に応じてこれらの2つ以上を単一の装置とすることもできる。
The
メイン冷凍機Aの冷媒出口AoutとカスケードユニットCの第1冷媒入口Cin1、カスケードユニットCの第1冷媒出口Cout1とショーケースDの冷媒入口Din、及びショーケースDの冷媒出口Doutとメイン冷凍機Aの冷媒入口Ainがそれぞれ冷媒(低段側冷媒)配管で接続されている。また、過冷却冷凍機Bの冷媒出口BoutとカスケードユニットCの第2冷媒入口Cin2、及びカスケードユニットCの第2冷媒出口Cout2と過冷却冷凍機Bの冷媒入口Binがそれぞれ冷媒(高段側冷媒)配管で接続されている。 The refrigerant outlet Aout of the main refrigerator A and the first refrigerant inlet Cin1 of the cascade unit C, the first refrigerant outlet Cout1 of the cascade unit C and the refrigerant inlet Din of the showcase D, and the refrigerant outlet Dout of the showcase D and the main refrigerator A The respective refrigerant inlets Ain are connected by refrigerant (low-stage side refrigerant) piping. Further, the refrigerant outlet Bout of the subcooling refrigerator B and the second refrigerant inlet Cin2 of the cascade unit C, and the second refrigerant outlet Cout2 of the cascade unit C and the refrigerant inlet Bin of the supercooling refrigerator B are respectively refrigerants (high-stage side refrigerants). ) Connected by piping.
メイン冷凍機Aは、低段側圧縮機201と低段側ガスクーラ202を有している。カスケードユニットCは、第1の流路4Aと第2の流路4Bを有するカスケード熱交換器4を有している。ショーケースDは、低段側主絞り手段203と低段側蒸発器204を有している。これら低段側圧縮機201、低段側ガスクーラ202、第1の流路4A、低段側主絞り手段203及び低段側蒸発器204が配管で接続されて冷媒循環路を構成している。この冷媒循環路中を低段側冷媒(例えば二酸化炭素)が循環し、低段側冷凍回路2が構成されている。
The main refrigerator A has a low-
過冷却冷凍機Bは、高段側圧縮機301、高段側ガスクーラ302及び高段側主絞り手段303を有している。これらとカスケード熱交換器4の第2の流路4Bが配管で接続されて冷媒循環路を構成している。この冷媒循環路中を高段側冷媒(例えば二酸化炭素)が循環し、高段側冷凍回路3が構成されている。
The supercooling refrigerator B has a high-
また、二元冷凍システム1は、低段側冷凍回路2、高段側冷凍回路3を構成する各機器の運転を制御するマイクロコンピュータから構成された制御装置5を有している。制御装置5は本発明における制御手段を構成している。制御装置5は、低段側圧縮機201の周波数を検出する周波数センサS1と、例えばメイン冷凍機Aに取り付けられて外気温を検出する外気温センサS2に接続されている。なお、制御装置5は、メイン冷凍機A、過冷却冷凍機B、カスケードユニットC及びショーケースDの全てを制御する単一の制御装置であってもよいし、これら各装置を個別に制御する複数個の制御装置の組み合わせであってもよい。
The
低段側圧縮機201は、インバータによって周波数(回転数)を制御することができる可変速圧縮機であり、例えばロータリコンプレッサである。
The low-
低段側ガスクーラ202は、低段側圧縮機201から吐出された低段側冷媒の熱を外気中に放熱して冷却する。
The low-
カスケード熱交換器4は、第1冷媒入口Cin1と第1冷媒出口Cout1の間に配置される第1の流路4Aと、第2冷媒入口Cin2と第2冷媒出口Cout2の間に配置される第2の流路4Bを有する。低段側冷媒は第1の流路4Aを流れ、第2の流路4Bを流れる高段側冷媒によって更に冷却される。
The cascade heat exchanger 4 is arranged between the first refrigerant inlet Cin1 and the first refrigerant outlet Cout1 and the
低段側主絞り手段203は、例えば電動膨張弁で構成され、低段側冷媒を絞り膨張させる。 The low-stage main throttle means 203 is composed of, for example, an electric expansion valve, and throttles and expands the low-stage refrigerant.
低段側蒸発器204は、図示しない冷気循環用送風機から供給される空気と低段側冷媒とを熱交換させて低温空気を得るための熱交換器である。この低温空気によってショーケースD内に陳列された食品等を冷却することができる。
The low-
高段側圧縮機301は、インバータによって周波数(回転数)を制御することができる可変速圧縮機であり、例えばロータリコンプレッサである。なお、高段側圧縮機301は、必ずしも可変速圧縮機である必要はなく、一定速圧縮機としてもよい。
The high-
高段側ガスクーラ302は、高段側圧縮機301から吐出された高段側冷媒の熱を外気中に放熱して冷却する。
The high-
高段側主絞り手段303は、例えば電動膨張弁で構成され、低段側冷媒を絞り膨張させる。 The high-stage main throttle means 303 is composed of, for example, an electric expansion valve, and throttles and expands the low-stage refrigerant.
カスケード熱交換器4の第2の流路4Bは、蒸発器として機能する。すなわち、高段側冷媒は、第2の流路4Bを流れる際に第1の流路4Aを流れる低段側冷媒によって加熱され、過熱蒸気となってカスケード熱交換器4から流出する。
The
以上のように構成された二元冷凍システム1は次のように作動する。
The
通常時には、二元冷凍システム1は低段側冷凍回路2のみを作動させ、高段側冷凍回路3は作動させない。すなわち、まず、低段側冷媒は、低段側圧縮機201で圧縮されて高温高圧状態となり、低段側ガスクーラ202で冷却される。次に、低段側冷媒は、カスケード熱交換器4の第1の流路4Aをほとんど状態の変化を伴うことなく通過し、低段側主絞り手段203にて膨張して低温低圧の湿り蒸気となる。続いて、低段側冷媒は、低段側蒸発器204においてその液分が蒸発するとともに周囲の空気と熱交換する。このようにして、必要とされる温度及び量の低温空気が得られる。
Normally, the
これに対し、低段側冷凍回路2のみの作動では必要とされる温度及び量の低温空気が得られない場合には、制御装置5は、低段側冷凍回路2に加えて高段側冷凍回路3を作動させ、カスケード熱交換器4の第2の流路4Bに低温の高段側冷媒を供給する。すると、低段側冷媒は、カスケード熱交換器4の第1の流路4Aを通過する際に高段側冷媒と熱交換することによって過冷却度を増す。よって、低段側蒸発器204においてショーケースD内の空気と交換する熱量が増え、必要とされる温度及び量の低温空気を得ることができる。
On the other hand, when the required temperature and amount of low-temperature air cannot be obtained by operating only the low-stage
制御装置5は、低段側冷凍回路2のみの作動と、低段側冷凍回路2及び高段側冷凍回路3の両方の作動とを、低段側圧縮機201の周波数が外気温に対応して予め定められた閾値以上となったか否かを判断することによって切り替える。制御装置5は、高段側冷凍回路3の発停を切り替える基準となる情報を記憶しておき、この情報に従って、二元冷凍システム1の運転状態を切り替えることができる。
The
このような情報の一例を図2に示す。図2に示されている情報は、縦軸を低段側圧縮機201の周波数、横軸を外気温としたグラフであり、グラフ中に示される線よりも下側の領域では低段側冷凍回路2のみを作動させ、当該線上及びそれよりも上側の領域では低段側冷凍回路2に加えて高段側冷凍回路3を作動させることを示している。
An example of such information is shown in FIG. The information shown in FIG. 2 is a graph in which the vertical axis represents the frequency of the low-
図2に示される情報に基づいて二元冷凍システム1の運転を行えば、外気温(外気温センサS2の検出値)が例えば比較的高いt1の場合、低段側圧縮機201の周波数(周波数センサS1の検出値)が比較的低いr1未満であれば低段側冷凍回路2のみが作動し、周波数センサS1の検出値がr1以上となると高段側冷凍回路3も作動する。よって、外気温が比較的高く、低段側冷凍回路2のみを作動させた運転では必要とされる冷凍能力が得られなく恐れがある場合であっても、低段側圧縮機201の周波数が比較的低いr1に上昇した時点で高段側冷凍回路3の作動が開始するので、二元冷凍システム1が冷凍能力不足となることが防止できる。
If the
また、外気温が比較的低いt2の場合、低段側圧縮機201の周波数が比較的高いr2以上となるまで高段側冷凍回路3は作動しない。よって、低段側冷凍回路2の冷凍能力に比較的余裕がある(低段側圧縮機201の周波数が比較的低い)うちは高段側冷凍回路3が運転されないので、二元冷凍システム1の冷凍能力が過剰となることが防止できる。
Further, when the outside air temperature is relatively low at t2, the high-stage
二元冷凍システム1の冷凍能力が過剰となった場合には高段側冷凍回路3の作動を停止させれば良いとも考えられる。しかしながら、低段側冷凍回路2の冷凍能力に比較的余裕がある(低段側圧縮機201の周波数が比較的低い)うちに高段側冷凍回路3を作動させ、冷凍能力が過剰となった場合には高段側冷凍回路3の作動を停止させるというような運転を行うと、結果的に高段側冷凍回路3の作動を頻繁に発停させることとなる。その場合、二元冷凍システム1の運転条件が頻繁に変更されることとなるため、二元冷凍システム1全体のCOPが悪化する恐れがある。これに対し、図2に示される情報に従えば、外気温が比較的低い場合には、低段側圧縮機201の周波数が比較的高くなるまで高段側冷凍回路3は作動しないので、高段側冷凍回路3の作動が頻繁に発停することに伴う二元冷凍システム1全体のCOPの悪化を確実に防止することができる。
When the refrigerating capacity of the
なお、二元冷凍システム1の運転状態の切り替え制御に用いられる情報は、図2に示されるグラフには限られないことは勿論である。例えば、外気温が高くなるにつれて、閾値である低段側圧縮機周波数がステップ状に減少するようなグラフでも良いし、一年を通じて外気温の変動幅が小さい地域で二元冷凍システム1が使用される場合等には、閾値である低段側圧縮機周波数が外気温によっては変わらないグラフであってもよい。
The information used for the switching control of the operating state of the
<他の実施例>
次に、図3を参照しながら、本発明に係る他の実施例について、先の実施例と異なる点を中心に説明する。なお、図3では、過冷却冷凍機Bの構成機器は図示を省略している。また、本実施例では、低段側冷媒、及び高段側冷媒が二酸化炭素であるものとして説明するが、低段側冷媒、及び高段側冷媒が二酸化炭素に限られないことは勿論である。
<Other Examples>
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3, focusing on the points different from the previous embodiment. Note that, in FIG. 3, the components of the supercooling refrigerator B are omitted. Further, in the present embodiment, the low-stage side refrigerant and the high-stage side refrigerant are described as carbon dioxide, but it goes without saying that the low-stage side refrigerant and the high-stage side refrigerant are not limited to carbon dioxide. ..
図3に示される低段側冷凍回路2は低段側圧縮機(以下単に「圧縮機」と記載することがある。)201を備える。圧縮機201は、例えば、内部中間圧型2段圧縮式ロータリコンプレッサである。この圧縮機201は、密閉容器と、回転圧縮機構部とを備えている。回転圧縮機構部は、密閉容器の内部空間の上部に収納された駆動要素としての電動要素、この電動要素の下側に配置された、第1の回転圧縮要素201a、および、第2の回転圧縮要素201bから成る。このような圧縮機では、低段側と高段側の排除容積比率が決まっており、その排除容積比率に応じて中間圧(MP)が決定される。
The low-
圧縮機201の第1の回転圧縮要素201aは、低段側冷凍回路2の低圧側から圧縮機201に吸い込まれる低段側冷媒を圧縮し、中間圧まで昇圧して吐出する。第2の回転圧縮要素201bは、第1の回転圧縮要素201aにより吐出された中間圧の冷媒を吸い込み、圧縮して高圧まで昇圧し、低段側冷凍回路2の高圧側に吐出する。圧縮機201は、周波数可変型の圧縮機である。制御装置5は、電動要素の運転周波数を変更することで、第1の回転圧縮要素201a、および、第2の回転圧縮要素201bの周波数を制御する。
The first
圧縮機201の密閉容器の側面には、第1の回転圧縮要素201aに連通する低段側吸込口と、密閉容器内に連通する低段側吐出口と、第2の回転圧縮要素201bに連通する高段側吸込口及び高段側吐出口が形成されている。圧縮機201の低段側吸込口には、冷媒導入配管L1の一端が接続されている。なお、冷媒導入配管L1の他端は低段側蒸発器204の排出口に接続されている。
On the side surface of the closed container of the
低段側吸込口より第1の回転圧縮要素201aの低圧部に吸い込まれた低圧(LP)の冷媒ガスは、当該第1の回転圧縮要素201aにより中間圧(MP)に昇圧されて密閉容器内に吐出される。これにより、密閉容器内は中間圧(MP)となる。
The low-pressure (LP) refrigerant gas sucked into the low-pressure portion of the first
そして、密閉容器内の中間圧の冷媒ガスが吐出される圧縮機201の低段側吐出口には、中間圧吐出配管L2の一端が接続され、その他端はインタークーラ205の入口に接続されている。このインタークーラ205は、第1の回転圧縮要素201aから吐出された中間圧の冷媒を空冷するものであり、当該インタークーラ205の出口には、中間圧吸入配管L3の一端が接続され、この中間圧吸入配管L3の他端は圧縮機201の高段側吸込口に接続される。
Then, one end of the intermediate pressure discharge pipe L2 is connected to the low-stage side discharge port of the
高段側吸込口より第2の回転圧縮要素201bに吸い込まれた中間圧(MP)の冷媒ガスは、当該第2の回転圧縮要素201bにより2段目の圧縮が行われて高温高圧(HP:超臨界圧力)の冷媒ガスとなる。
The intermediate-pressure (MP) refrigerant gas sucked into the second
そして、圧縮機201の第2の回転圧縮要素201bの高圧室側に設けられた高段側吐出口には、高圧吐出配管L4の一端が接続される。高圧吐出配管L4の他端は低段側ガスクーラ(以下単に「ガスクーラ」と記載することがある。)202の入口に接続されている。
Then, one end of the high-pressure discharge pipe L4 is connected to the high-stage side discharge port provided on the high-pressure chamber side of the second
ガスクーラ202は、圧縮機201から吐出された高圧の冷媒を冷却するものであり、ガスクーラ202の近傍には当該ガスクーラ202を空冷する図示しないガスクーラ用送風機が配設されている。ガスクーラ202とインタークーラ205とを並設し、同一の風路に配設してもよい。
The
ガスクーラ202の出口にはガスクーラ出口配管L5の一端が接続され、このガスクーラ出口配管L5の他端は圧力調整用絞り手段としての電動膨張弁206の入口に接続されている。この電動膨張弁206はガスクーラ202から出た冷媒を絞って膨張させると共に、電動膨張弁206から上流側の低段側冷凍回路2の高圧側圧力の調整を行うためのもので、その出口はタンク入口配管L6を介して中間タンク207の上部に接続されている。
One end of a gas cooler outlet pipe L5 is connected to the outlet of the
中間タンク207は内部に所定容積の空間を有する容積体であり、その下部には中間タンク出口配管L7の一端が接続され、この中間タンク出口配管L7の他端が低段側主絞り手段(以下単に「主絞り手段」と記載することがある。)203の入口に接続されている。この中間タンク出口配管L7中にスプリット熱交換器208の第2の流路208Bが介設されると共に、このスプリット熱交換器208より下流側の中間タンク出口配管L7中には、カスケード熱交換器4の第1の流路4Aが介設されている。この中間タンク出口配管L7が本発明における主回路を構成する。
The
カスケード熱交換器4の第1の流路4Aの下流側には、順に、主絞り手段としての電動膨張弁203と低段側蒸発器(以下単に「蒸発器」と記載することがある。)204が設けられている。蒸発器204には、当該蒸発器204に送風する図示しない冷気循環用送風機が隣設されている。そして、蒸発器204の排出口は、上述したように冷媒導入配管L1を介して圧縮機201の第1の回転圧縮要素201aに連通する低段側吸込口に接続されている。
On the downstream side of the
他方、中間タンク207の上部にはガス配管L8の一端が接続されており、このガス配管L8の他端は第1の補助回路用絞り手段としての電動膨張弁209の入口に接続されている。ガス配管L8は中間タンク207上部からガス冷媒を流出させ、電動膨張弁209に流入させる。この電動膨張弁209の出口には、中間圧戻り配管L9の一端が接続され、その他端は圧縮機201の中間圧部に繋がる中間圧領域の一例として中間圧吸入配管L3の途中に連通されている。この中間圧戻り配管L9中にスプリット熱交換器208の第1の流路208Aが介設されている。
On the other hand, one end of the gas pipe L8 is connected to the upper part of the
また、スプリット熱交換器208の下流側の中間タンク出口配管L7と、電動膨張弁209の下流側の中間圧戻り配管L9との間には液戻し配管L10が設けられており、液戻し配管L10には、第2の補助回路用絞り手段としての電動膨張弁210が介設されている。電動膨張弁209(第1の補助回路用絞り手段)と電動膨張弁210(第2の補助回路用絞り手段)が本出願における補助絞り手段を構成する。液戻し配管L10は中間タンク出口配管L7から液冷媒の一部を中間圧戻り配管L9に流入させる。そして、中間圧戻り配管L9と、電動膨張弁209、210と、電動膨張弁209の上流側にあるガス配管L8と、液戻し配管L10が本発明における補助回路を構成する。
Further, a liquid return pipe L10 is provided between the intermediate tank outlet pipe L7 on the downstream side of the
ここで、電動膨張弁206はガスクーラ202の下流側であって電動膨張弁203の上流側に位置する。また、中間タンク207は電動膨張弁206の下流側であって電動膨張弁203の上流側に位置する。また、スプリット熱交換器208は中間タンク207の下流側であって電動膨張弁203の上流側に位置する。更に、カスケード熱交換器4の第1の流路4Aはスプリット熱交換器208の下流側であって電動膨張弁203の上流側に位置する。以上のように本実施例における低段側冷凍回路2が構成される。
Here, the
この低段側冷凍回路2の各所には種々のセンサが取り付けられている。すなわち、圧縮機201の電動要素には、圧縮機201の周波数を検出する周波数センサS1が取り付けられている。ガスクーラ202の筐体等に外気温を検出する外気温センサS2が取り付けられている。高圧吐出配管L4には、低段側冷凍回路2の高圧側圧力HP(圧縮機201の高段側吐出口と電動膨張弁206の入口の間の圧力)を検出する高圧センサS3が取り付けられている。なお、高圧センサS3の設置位置は、ガスクーラ出口配管L5であってもよい。冷媒導入配管L1には、低段側冷凍回路2の低圧側圧力LP(電動膨張弁203の出口と低段側吸込口の間の圧力)を検出する低圧センサS4が取り付けられている。電動膨張弁209の上流側のガス配管L8には、メイン冷凍機Aの出口圧力である出口圧OPを検出する出口圧センサS5が取り付けられている。この中間タンク207内の圧力は、電動膨張弁203に流入する冷媒の圧力となる。
Various sensors are attached to various parts of the low-stage
また、詳細な説明は省略するが、低段側冷凍回路2は、上述した以外にも、配管各部の冷媒圧力や冷媒温度を計測するセンサを備えている。
Further, although detailed description is omitted, the low-
そして、これら各センサは制御装置5の入力に接続される。また、制御装置5の出力には圧縮機201の電動要素、ガスクーラ用送風機、電動膨張弁(圧力調整用絞り手段)206、電動膨張弁(補助絞り手段)209及び210、電動膨張弁(主絞り手段)203、高段側圧縮機301、高段側主絞り手段303が接続され、制御装置5は各センサの出力と設定データ等に基づいてこれらを制御する。
Then, each of these sensors is connected to the input of the
例えば、制御装置5は、周波数センサS1で検出される圧縮機201の周波数が外気温に対応して定められた閾値以上となった場合に、高段側冷凍回路3(高段側圧縮機301)を作動させ、当該閾値を下回った場合に高段側冷凍回路3の作動を停止させる。
For example, when the frequency of the
図4は図3に示される二元冷凍システム1の低段側冷凍回路2のp−h線図である。低段側冷媒は、圧縮機201によって2段階で圧縮されることによって、状態がX1からX2に変化し、ガスクーラ202中で冷却されることによって、状態がX2からX3に変化する。続いて低段側冷媒は電動膨張弁206で減圧され、状態がX3からX4に変化する。
FIG. 4 is a ph diagram of the low stage
その後、低段側冷媒は中間タンク207で一部が蒸発し、気体となった低段側冷媒は状態がX4からX5に変化するとともに、電動膨張弁209で減圧されることによって状態がX6に変化する。低段側冷媒は、更に、スプリット熱交換器208の第1の流路208Aを通過するとともに、圧縮機201の第1の回転圧縮要素201aによって圧縮された後にインタークーラ205で冷却された低段側冷媒と中間圧吸入配管L3内で混合することにより、状態がX7に変化する。
Then, a part of the low-stage side refrigerant is evaporated in the
一方、中間タンク207中の液体の低段側冷媒は、スプリット熱交換器208の第2の流路208Bを通過する際に状態がX4からX8に変化する。ここで、カスケード熱交換器4に高段側冷媒が供給されていない場合、すなわち、高段側冷凍回路3が作動していない場合には、低段側冷媒は、状態がX8のまま電動膨張弁203に流入し、減圧され、状態がX9に変化する。その後、蒸発器204で周囲の空気と熱交換し、状態がX1に変化する。なお、スプリット熱交換器208の第2の流路208Bを通過した冷媒の一部は、液戻し配管L10及び電動膨張弁210を通過して状態X12に変化した後、インタークーラ205で冷却された低段側冷媒と中間圧吸入配管L3内で混合することにより、状態がX7に変化する。
On the other hand, the liquid low-stage side refrigerant in the
これに対し、カスケード熱交換器4に高段側冷媒が供給されている場合、すなわち、高段側冷凍回路3が作動している場合には、低段側冷媒は高段側冷媒と熱交換することによって過冷却度を増し、状態がX8からX10に変化する。状態がX10となった低段側冷媒は、電動膨張弁203によって減圧され、状態がX11に変化する。その後、蒸発器204で周囲の空気と熱交換し、状態がX1に変化する。
On the other hand, when the high-stage side refrigerant is supplied to the cascade heat exchanger 4, that is, when the high-stage
図4から明らかなように、カスケード熱交換器4で熱交換させて低段側冷媒の状態をX8からX10に変化させることによって、蒸発器204の冷凍効果が、状態X9と状態X11の間の比エンタルピー差の分、増大する。すなわち、本実施例においても、高段側冷凍回路3の作動の発停を切り替えることによって、二元冷凍システム1の冷凍能力を増減させることができる。このような高段側冷凍回路3の発停は、先の実施例と同じように、圧縮機201の周波数と外気温に基づいて行われる。
As is clear from FIG. 4, by changing the state of the low-stage side refrigerant from X8 to X10 by exchanging heat with the cascade heat exchanger 4, the refrigerating effect of the
<冷媒量調整機構>
図3に示される低段側冷凍回路2は、高圧センサS3で検出される高圧側圧力HPが外気温と蒸発温度から定められる目標圧力となるように運転される。しかしながら、高段側冷凍回路3の作動が発停される等、運転条件が変化することにより、低段側冷凍回路2中の冷媒量(冷媒圧力)が変化し、高圧側圧力HPが目標圧力よりも大きくなることがある。このような状態に対応すべく、図3に示される低段側冷凍回路2は冷媒量調整機構250を備えている。本実施例では、冷媒量調整機構250を構成する各機器はカスケードユニットCに備え付けられているが、メイン冷凍機Aに備え付けられていてもよいし、独立したユニット内に備え付けられていてもよい。
<Refrigerant amount adjustment mechanism>
The low-
冷媒量調整機構250は、冷媒量調整タンク251、冷媒量調整タンク251の上部に設けられた流入口に接続された高圧冷媒路252、冷媒量調整タンク251の下部に設けられた第1の流出口に接続された低圧冷媒路253、冷媒量調整タンク251の上部に設けられた第2の流出口に接続された中間圧冷媒路254、高圧冷媒路252に介設された第1の弁255、低圧冷媒路253に介設された第2の弁256、中間圧冷媒路254に介設された第3の弁257、低圧冷媒路253に介設された低圧冷媒絞り手段258、及び中間圧冷媒路254に介設された逆止弁259によって構成されている。
The refrigerant
高圧冷媒路252は、高圧サービス配管L11を介してガスクーラ出口配管L5と接続されている。低圧冷媒路253は、低圧サービス配管L12を介して冷媒導入配管L1と接続されている。中間圧冷媒路254は、中間圧サービス配管L13を介してガス配管L8と接続されている。
The high-pressure
第1の弁255は開度を調節することができる電動弁であり、第2の弁256及び第3の弁257はそれぞれ開閉状態が切り替えられる電磁弁である。これらの弁は制御装置5によって制御される。また、低圧冷媒絞り手段258はキャピラリである。
The
低段側冷凍回路2中の冷媒量(冷媒圧力)が変化した場合、制御装置5は図5に示されるように第1の弁255、第2の弁256及び第3の弁257の状態を切り替えることによって冷媒量調整機構250を制御する。
When the amount of refrigerant (refrigerant pressure) in the low-
すなわち、高圧センサS3によって計測される低段側冷凍回路2の高圧側圧力HPが目標圧力HPT以下である場合は、制御装置5は低段側冷凍回路2の状態が圧力状態1であると判断する。その場合、第1の弁255の開度は0(閉)、第2の弁256は開、第3の弁257は閉とされる。このとき、冷媒量調整タンク251の内部空間は、低圧冷媒絞り手段258を介して低段側冷凍回路2の低圧側のみと接続されている。よって、冷媒量調整タンク251内の冷媒が冷媒量調整タンク251の外部に流出し、その内部空間は徐々に低圧となる。なお、低圧冷媒路253には低圧冷媒絞り手段258が介在し、ここで低段側冷媒が膨張するため、圧縮機201に液冷媒が供給されることはない。
That is, when the high pressure side pressure HP of the low stage
高圧側圧力HPが目標圧力HPTを超えると、制御装置5は低段側冷凍回路2の状態が圧力状態2であると判断する。その場合も、第1の弁255の開度は0(閉)、第2の弁256は開、第3の弁257は閉とされる。
When the high-pressure side pressure HP exceeds the target pressure HPT, the
高圧側圧力HPが更に高くなり、第1の設定圧力HP1を超えると、制御装置5は、低段側冷凍回路2の状態が圧力状態3であると判断する。その場合、第1の弁255は第1の所定の開度とされ、第2の弁256は閉とされ、第3の弁257は開とされる。このとき、高圧冷媒路252を介してガスクーラ出口配管L5と冷媒量調整タンク251の内部が連通するとともに、中間圧冷媒路254を介してガス配管L8と冷媒量調整タンク251の内部が連通する。低段側冷凍回路2の状態が圧力状態1及び圧力状態2である時に、冷媒量調整タンク251の内部は低段側冷凍回路2の低圧側のみと接続されていたので、その内部は低圧となっている。よって、高圧冷媒の一部が冷媒量調整タンク251内に流入する。これによって、比較的迅速に高圧側圧力HPを低下させる(低段側冷凍回路2中の冷媒量を低減させる)ことができる。また、低段側冷媒は冷媒量調整タンク251内で気液分離される。
When the high-pressure side pressure HP further increases and exceeds the first set pressure HP1, the
また、冷媒量調整タンク251の内部圧力が出口圧を超えた後は、高圧冷媒路252を介して冷媒量調整タンク251内に流入した高圧側の冷媒が、ガス冷媒となって中間圧冷媒路254を介して出口圧部(ガス配管L8)に供給される。この状態においても、高圧側からの冷媒回収が継続されるので、高圧側圧力HPは徐々に低下する。
Further, after the internal pressure of the refrigerant
高圧側圧力HPが第1の設定圧力HP1よりも低い第2の設定圧力HP2以下に低下すると、制御装置5は、低段側冷凍回路2の状態が圧力状態4であると判断する。その場合、第1の弁255は第2の所定の開度とされ、第2の弁256は所定時間開とされた後に閉とされ、第3の弁257は閉とされる。これにより、第2の弁256が開とされている所定時間の間、冷媒量調整タンク251内の冷媒の一部が低圧サービス配管L12を介して低圧側に戻されるとともに、高圧側の冷媒の一部が冷媒量調整タンク251に流入する。よって、低段側冷凍回路2の状態が圧力状態3である時よりも緩やかなペースで高圧側の冷媒を冷媒量調整タンク251内に流入させることができる。
When the high-pressure side pressure HP falls below the second set pressure HP2, which is lower than the first set pressure HP1, the
また、第2の弁256が閉じられた後は、冷媒量調整タンク251の内部空間は高圧冷媒路252を介して高圧側のみと接続された状態となるので、その内部圧力は徐々に高圧側圧力HPに近づき、高圧側冷媒の回収量が徐々に減少する。
Further, after the
低段側冷凍回路2の状態が圧力状態4となり、各弁の状態が上記のように切り替えられることによって、高圧側圧力HPが目標圧力HPT以下に低下すると、制御装置5は、低段側冷凍回路2の状態が圧力状態1であると判断する。その場合、第1の弁255の開度は0(閉)、第2の弁256は開、第3の弁257は閉とされる。
When the high-pressure side pressure HP falls below the target pressure HPT due to the state of the low-stage
なお、低段側冷凍回路2の状態が圧力状態4である場合、前述の通り冷媒量調整タンク251の内部圧力は、徐々に高圧側HPに近づき、やがてその内部も高圧側圧力HPとなる。このような状態となると、冷媒量調整機構250は何ら冷媒量調整作用を奏していないこととなるので、再び高圧側圧力HPが上昇する可能性がある。低段側冷凍回路2の状態が圧力状態3から圧力状態4に変化した後であっても、高圧側圧力HPが第1の所定圧力HP1を超えた場合、制御装置5は、低段側冷凍回路2の状態が圧力状態3になったと判断する。その場合、第1の弁255は第1の所定の開度とされ、第2の弁256は閉とされ、第3の弁257は開とされる。このように各弁の状態を切り替えることにより、高圧側からの冷媒の回収量を増加させることができる。
When the low-
図3に示される二元冷凍システム1は、上述のように制御される冷媒量調整機構250を備えているので、高段側冷凍回路3の作動の切り替え等に伴って低段側冷凍回路2の高圧側圧力HPが目標圧力HPTよりも大きくなる事態が生じても、これを目標圧力HPT以下に低下させることができる。すなわち、低段側冷媒量が所定量以下となるように調整することができる。
Since the
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本発明は、低段側冷凍回路、高段側冷凍回路、及び前記低段側冷凍回路中の低段側冷媒と前記高段側冷凍回路中の高段側冷媒との間で熱交換を行うカスケード熱交換器を備える二元冷凍システムに用いるのに好適である。 The present invention performs heat exchange between a low-stage side refrigeration circuit, a high-stage side refrigeration circuit, and a low-stage side refrigerant in the low-stage side refrigeration circuit and a high-stage side refrigerant in the high-stage side refrigeration circuit. It is suitable for use in a dual refrigeration system with a cascade heat exchanger.
1 二元冷凍システム
A メイン冷凍機
B 過冷却冷凍機
C カスケードユニット
D ショーケース
2 低段側冷凍回路
201 低段側圧縮機(圧縮機)
201a 第1の回転圧縮要素
201b 第2の回転圧縮要素
202 低段側ガスクーラ(ガスクーラ)
203 低段側主絞り手段(主絞り手段、電動膨張弁)
204 低段側蒸発器(蒸発器)
205 インタークーラ
206 圧力調整用絞り手段(電動膨張弁)
207 中間タンク
208 スプリット熱交換器
209 第1の補助回路用絞り手段(電動膨張弁)
210 第2の補助回路用絞り手段(電動膨張弁)
250 冷媒量調整機構
251 冷媒量調整タンク
252 高圧冷媒路
253 低圧冷媒路
254 中間圧冷媒路
255 第1の弁
256 第2の弁
257 第3の弁
258 低圧冷媒絞り手段
259 逆止弁
3 高段側冷凍回路
301 高段側圧縮機
302 高段側ガスクーラ
303 高段側主絞り手段
304 高段側蒸発器
4 カスケード熱交換器
5 制御装置(制御手段)
L1 冷媒導入配管
L2 中間圧吐出配管
L3 中間圧吸入配管
L4 高圧吐出配管
L5 ガスクーラ出口配管
L6 タンク入口配管
L7 中間タンク出口配管
L8 ガス配管
L9 中間圧戻り配管
L10 液戻し配管
L11 高圧サービス配管
L12 低圧サービス配管
L13 中間圧サービス配管
S1 周波数センサ
S2 外気温センサ
S3 高圧センサ
S4 低圧センサ
S5 出口圧センサ
1 Dual refrigeration system A Main refrigerator B Supercooling refrigerator C Cascade
201a 1st
203 Low-stage side main throttle means (main throttle means, electric expansion valve)
204 Low-stage evaporator (evaporator)
205
207
210 Second Auxiliary Circuit Throttle Means (Electric Expansion Valve)
250 Refrigerant
L1 Refrigerant introduction pipe L2 Intermediate pressure discharge pipe L3 Intermediate pressure suction pipe L4 High pressure discharge pipe L5 Gas cooler outlet pipe L6 Tank inlet pipe L7 Intermediate tank outlet pipe L8 Gas pipe L9 Intermediate pressure return pipe L10 Liquid return pipe L11 High pressure service pipe L12 Low pressure service Pipe L13 Intermediate pressure service pipe S1 Frequency sensor S2 Ambient temperature sensor S3 High pressure sensor S4 Low pressure sensor S5 Outlet pressure sensor
Claims (3)
高段側冷凍回路と、
前記低段側冷凍回路中の低段側冷媒と前記高段側冷凍回路中の高段側冷媒との間で熱交換を行うカスケード熱交換器と、
前記可変速圧縮機の周波数が外気温に対応して定められた閾値以上となった場合に前記高段側冷凍回路を作動させる制御手段と、を備え、
前記閾値は、前記外気温が高くなるにしたがって低くなるように設定されている
二元冷凍システム。 A low-stage side refrigeration circuit including a variable speed compressor,
High-stage side refrigeration circuit,
A cascade heat exchanger that performs heat exchange between the low-stage side refrigerant in the low-stage side refrigeration circuit and the high-stage side refrigerant in the high-stage side refrigeration circuit,
And a control means for operating the high stage side refrigerant circuit when the frequency of the variable speed compressor is equal to or larger than a threshold value determined corresponding to the outside temperature,
Two-stage refrigeration system the threshold value, it is configured to be lower in accordance with the outside temperature is high.
前記可変速圧縮機の下流側に配置されたガスクーラ、
前記ガスクーラの下流側に配置された主絞り手段、
前記主絞り手段の下流側であって、前記可変速圧縮機の上流側に配置された蒸発器、
前記ガスクーラの下流側であって、前記主絞り手段の上流側に配置された圧力調整用絞り手段、
前記圧力調整用絞り手段の下流側であって、前記主絞り手段の上流側に配置された中間タンク、
前記中間タンクの下流側であって、前記主絞り手段の上流側に配置されたスプリット熱交換器、
前記中間タンク内の低段側冷媒を、補助絞り手段を介して前記スプリット熱交換器の第1の流路に流した後、前記可変速圧縮機の中間圧部に吸い込ませる補助回路、
前記中間タンク下部から低段側冷媒を流出させ、前記スプリット熱交換器の第2の流路に流し、前記第1の流路を流れる低段側冷媒と熱交換させた後、前記主絞り手段に流出させる主回路を有し、
前記カスケード熱交換器は、前記スプリット熱交換器の第2の流路の下流側であって、前記主絞り手段の上流側に配置されている
請求項1記載の二元冷凍システム。 The low-stage side refrigeration circuit,
A gas cooler disposed downstream of the variable speed compressor,
A main throttle means arranged on the downstream side of the gas cooler,
An evaporator arranged downstream of the main throttle means and upstream of the variable speed compressor,
A pressure adjusting throttle means arranged downstream of the gas cooler and upstream of the main throttle means;
An intermediate tank disposed on the downstream side of the pressure adjusting throttle means and on the upstream side of the main throttle means,
On the downstream side of the intermediate tank, a split heat exchanger arranged on the upstream side of the main throttle means,
An auxiliary circuit that causes the low-stage side refrigerant in the intermediate tank to flow into the first flow path of the split heat exchanger via an auxiliary throttle means and then sucked into the intermediate pressure section of the variable speed compressor,
The low-stage side refrigerant is made to flow out from the lower part of the intermediate tank, is made to flow in the second flow path of the split heat exchanger, and is heat-exchanged with the low-stage side refrigerant flowing in the first flow path, and then the main throttling means. Has a main circuit that drains to
The binary refrigeration system according to claim 1, wherein the cascade heat exchanger is arranged on the downstream side of the second flow path of the split heat exchanger and on the upstream side of the main throttle means.
前記冷媒量調整機構は、
冷媒量調整タンク、
前記ガスクーラの下流側であって、前記圧力調整用絞り手段の上流側の冷媒流路から前記冷媒量調整タンクに低段側冷媒を流す高圧冷媒路、
前記蒸発器の下流側であって、前記可変速圧縮機の上流側の冷媒流路に前記冷媒量調整タンク内の低段側冷媒を流す低圧冷媒路、
前記中間タンクの下流側であって、前記スプリット熱交換器の第1の流路の上流側の冷媒流路と、前記冷媒量調整タンクとの間で低段側冷媒を流す中間圧冷媒路、
前記高圧冷媒路に設けられた第1の弁、
前記低圧冷媒路に設けられた第2の弁、
前記中間圧冷媒路に設けられた第3の弁、及び
前記低圧冷媒路に介設された低圧冷媒絞り手段を有し、
前記制御手段は、前記可変速圧縮機の下流側であって、前記圧力調整用絞り手段の上流側における低段側冷媒の圧力に応じて前記第1の弁、前記第2の弁及び前記第3の弁それぞれの開度を調整する
請求項2記載の二元冷凍システム。 Further comprising a refrigerant amount adjustment mechanism for adjusting the low-stage side refrigerant amount in the low-stage side refrigeration circuit,
The refrigerant amount adjustment mechanism,
Refrigerant amount adjustment tank,
On the downstream side of the gas cooler, a high-pressure refrigerant passage for flowing a low-stage side refrigerant from the refrigerant passage on the upstream side of the pressure adjusting throttle means to the refrigerant amount adjustment tank,
On the downstream side of the evaporator, a low-pressure refrigerant passage for flowing the low-stage side refrigerant in the refrigerant amount adjustment tank to the refrigerant passage on the upstream side of the variable speed compressor,
On the downstream side of the intermediate tank, a refrigerant flow path on the upstream side of the first flow path of the split heat exchanger, and an intermediate pressure refrigerant path for flowing a low-stage side refrigerant between the refrigerant amount adjustment tank,
A first valve provided in the high-pressure refrigerant passage,
A second valve provided in the low pressure refrigerant passage,
A third valve provided in the intermediate-pressure refrigerant passage, and a low-pressure refrigerant throttle means provided in the low-pressure refrigerant passage,
The control means is on the downstream side of the variable speed compressor and in accordance with the pressure of the low-stage side refrigerant on the upstream side of the pressure adjusting throttle means, the first valve, the second valve and the second valve. The binary refrigeration system according to claim 2, wherein the opening degree of each of the three valves is adjusted.
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